2 Требования к пластинам и подложкам.

2.1 Требования к пластинам

Технология современных микросхем предъявляет жесткие требования к заготовкам под структуры микросхем, и особенно, к полупроводниковым пластинам. Эти требования относятся к электрофизическим характеристикам полупроводника, а также к геометрическим параметрам и качеству поверхности пластин.

Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров.

Основные геометрические параметры пластин: диаметр и толщина.

Диаметр пластин определяется размерами полупроводникового слитка. Стандартными диаметрами наиболее распространенных полупроводников являются 60, 76 и 100, 300 мм. На пластинах большего диаметра можно изготовить большее количество кристаллов микросхем (табл.1).

Таблица 1.

Зависимость количества кристаллов от диаметра пластин.

Размер кристалла, мм	Площадь кристалла,мм^2	Количество кристаллов на пластине диаметром, мм; (толщиной, мкм)
		76(450)	100(600)
1 х 1	1	4214	7598
2 х 2	4	1018	1846
4 х 4	16	236	434
6 х 6	36	95	184

Толщина пластин определяется не только их стойкостью к механическим нагрузкам при манипулировании в технологических процессах, но и способностью сохранять форму. С увеличением диаметра без изменения толщины пластины при последующих термических обработках увеличиваются краевые сколы. У пластин большого диаметра поэтому необходимо увеличивать толщину, а это удорожает единицу площади пластин.

Качество поверхности характеризуется глубиной механически нарушенного слоя, шероховатостью и качеством очистки от загрязнений.

Рис. 5. Механически нарушенный слой поверхности пластины: а - рельефный слой; б - трещиноватый слой; в - деформированный слой; г - ненарушенная структура пластины.

Механически нарушенный слой состоит из трех частей (рис.5):

наружный рельефный слой имеет хаотически расположенные выступы, трещины, выколки;

трещиноватый слой имеет одиночные невыкрошившиеся выколки и идущие вглубь микротрещины;

деформированный слой имеет скопления дислокаций, продолжения микротрещин и расположенные вокруг них зоны механических напряжений.

Рис. 6 . Профиль шероховатой поверхности подложки.

Шероховатость (рис.6) может оцениваться средним арифметическим отклонением профиля R_a, т.е. средним арифметическим абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l:

или высотой неровностей профиля R_z по десяти точкам:

В зависимости от значений параметров Ra и Rz качество обработки поверхности оценивается соответствующим классом шероховатости.

Шероховатость поверхности пластин в большинстве случаев должна быть не ниже 13 - 14-го классов, что соответствует высоте микронеровностей от 0,100 до 0,025 мкм.

Качество очистки пластин оценивается:

наличием механических и химически связанных с поверхностью загрязнений;

количеством адсорбированных атомов, ионов примеси, приходящихся на единицу площади поверхности пластины, или числом монослоев адсорбированных примесных молекул.

Идеально чистую поверхность в условиях производства микросхем получить нельзя, так как полностью защитить пластины от адсорбции примесей невозможно. Под чистой поверхностью подразумевают технологически чистую поверхность, которая имеет концентрацию примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров микросхем. Номинальные значения параметров пластин и допустимых отклонений регламентированы технической документацией для каждого конкретного случая.

2.2 Требования к подложкам

Подложки гибридных и пленочных микросхем не являются составной частью элементов, они выполняют конструктивную роль поддерживающего пленочные и навесные элементы основания, а также служат для электрической изоляции элементов и межэлементных соединений. Прежде всего они должны обладать хорошими изоляционными и механическими свойствами. Подложки изготавливают из диэлектрических материалов с высоким удельным электросопротивлением, низкими диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь, высокой электрической, а также механической прочностью. Для эффективной передачи тепла от элементов материал подложек должен иметь высокую теплопроводность. Необходимо, чтобы материал подложек был совместим с материалами наносимых пленок. Материалы считаются совместимыми, если в процессе технологических операций, при хранении и эксплуатации готовых микросхем они не вступают в нежелательные взаимодействия друг с другом или с окружающей средой.

Материал подложек должен быть стойким к технологическим обработкам, необходимым для изготовления структур микросхем, не ухудшать качество проведения технологического процесса: не выделять газы при нанесении пленок в вакууме, быть инертным к травителям, применяемым при формировании топологии и структур, термостойким и др.

Идеальных материалов, удовлетворяющих всем предъявляемым требованиям, не существует. В наибольшей степени основным требованиям отвечают подложки из стекла, ситаллов, керамики, полиимида.

Основные недостатки подложек из стекла: низкие теплопроводность и механическая прочность. Подложки из керамики имеют сравнительно большую шероховатость поверхности, к которой чувствительны параметры тонкопленочных резисторов, конденсаторов и межэлементных соединений. Для тонкопленочных структур применяют в порядке возрастания мощности микросхем: стекла С41-1, С48-3, ситаллы и керамику (поликор, бериллиевую). Высокоглиноземистую керамику ВК-94 применяют только для толстопленочных структур, так как она имеет значительную шероховатость поверхности. Глазурование слоем безщелочного стекла для уменьшения шероховатости существенно уменьшает теплопроводность керамики. Для толстопленочных структур применяют также поликор и бериллиевую керамику.

Гибкие подложки из полимера, полиимида, отличаются возможностью двухстороннего нанесения тонких пленок. Они способны принимать различную форму при герметизации микросхем, имеют ряд других преимуществ. Перспективными считают металлодиэлектрические подложки. Для тонкопленочных структур: алюминиевая основа с покрытием из оксида алюминия. Для толстопленочных структур: основа из жаростойких сталей 20Х13, 15Х25Т или титана с покрытием (50... 1080 мкм) из стекла системы BaO - MgO - B₂O₃ - SiO₂. Такие подложки имеют низкую стоимость, обладают хорошей теплопроводностью, устойчивостью к механическим и термическим воздействиям. Микросхемы, изготовленные на них, могут работать в условиях, которые неприемлемы для других подложек.

Требования к геометрическим параметрам и качеству поверхности диэлектрических подложек в принципе аналогичны требованиям к полупроводниковым пластинам и отличаются лишь значениями некоторых установленных норм и допусков. Габаритные размеры диэлектрических подложек стандартизованы, для большинства материалов они составляют 48×60 мм, при толщине от 0,5 до 1,6 мм. На эти размеры ориентировано технологическое оборудование и нормализованный ряд типоразмеров плат микросхем. Непараллельность сторон не превышает 0,05 мм. Для тонкопленочных структур с толщиной пленок до 100 нм допустимая высота микронеровностей Rz < 25 нм, что соответствует 14-му классу шероховатости поверхности. Подложки для толстопленочных структур могут иметь микронеровности высотой до 2 мкм, т. е. класс шероховатости поверхности должен быть не ниже 8; подложки размером более 60 x 48 мм не применяют из-за коробления при термообработке паст.

Особое место среди диэлектрических подложек занимают подложки из монокристаллического корунда, называемого сапфиром. Сапфир обладает высокими изоляционными свойствами. На поверхности сапфира можно наращивать монокристаллические слои кремния и на полученных структурах кремний на сапфире (КНС) изготавливать микросхемы, отличающиеся хорошей изоляцией элементов друг от друга.